小球藻大规模培养研究的进展

小球藻大规模培养研究的进展
①
李师翁
(庆阳师范高等专科学校生物系　甘肃西峰　745000)李虎乾　张建军
(深圳益兴光合有限公司　深圳　518008)
摘要　小球藻是被人类研究并开发利用的单细胞藻类之一。

本文就小球藻大规模培养中产量、质量、培养方式、培养基与经济上的可行性之间的关系;气候因子、二氧化碳补加、搅拌、分离、收获与干燥等技术条件及其研究的进展进行了综述,认为未来的发展趋势将是光合生物反应器培养。

文中也讨论了小球藻大规模培养中生长量以及限制生长量的主要因素与太阳能转换率之间的关系。

关键词　小球藻,大规模培养,生长量
PROGRESS IN STU DIES ON LARGE 2SCAL E
CU L TURE OF CHLORELLA
LI Shi 2Weng
(Department o f Biology ,Qingyang Teacher ’s College ,X iFeng G anSu 745000)
LI Hu 2Qian ZH ANGJian 2Jun
(Shenzhen Yixing Photosynthesis Limited Company ,Shenzhen 518008)
Abstract Chlorella is one of the single 2cell algae that was studied ,cultured and used for human.The current reiew of the interrelationship of product ,quality ,culture type ,and media type for eco 2nomically feasible system ;the technical condition on climatological factors ,carbonating ,the need for mixing ,seperating ,harvesting and drying ;and the progress of mass culture on Chlorella was sum 2marized in this paper.The future development trends of mass culture will be automatic photosynthe tic reactor culture.The relationship of productivity and the s olar energy conversion efficiency which is one of the main limitations on productivity was discussed als o.
K ey w ords Chlorella ,Large 2scale culture ,Productivity
小球藻为绿藻门小球藻属(Chlorella )普生性单细胞绿藻,以光合自养生长繁殖,分布极广,尤以淡水水域种类多,生物量大。

对生长条件要求简单,环境耐受性强,繁殖速率高,人工培养较易,单位光照面积的水域培养小球藻的生物量是高等植物的数倍。

人类对小球藻的研究开发已有半个世纪的历史。

二战期间,由于粮食的缺乏,如何利用水生藻类生物作为人类的食物资源开始成为研究课题,单细胞藻类的培养逐渐被重视起来,许多国家先后进行了培养和营养价值的研究。

小球藻是最早被开发研究的对象之一。

该属种类较多,其中以蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa )蛋白质含量高而受到重视。

现在知道,小球藻作为人类理想的营养源健康食品,在于它具有极其丰富均衡的营养成分和优良的医疗保健作用。

蛋白质50～67%,含有人体所需的20种氨基酸、多种维生素和微量元素,以及亚麻酸、亚油酸、胡萝卜素等成分。

研究证明小球藻细胞糖蛋白具有①甘肃省教委资助项目。

植物学通报　1998,15(4):45～50
Chinese Bulletin of Botany
46　植物学通报15卷
显著的抑瘤抗癌、增强免疫和抗病毒感染的活性。

小球藻所含未知活性因子具有增强细胞代谢、延缓细胞衰老的活性。

在工业上,小球藻是优良的饲料添加剂,近年来的研究证明,当小球藻在异养条件下,细胞内油脂含量可达60%以上,是一种新型油脂资源。

当培养在高盐条件下,脯氨酸含量达12%,可用于工业制取脯氨酸。

其叶绿素含量约4%,为高等植物叶片的20多倍,是天然叶绿素的理想资源(李勤生和王业勤,1985)。

日本、美国、前苏联等国家自50年代率先开发小球藻作为单细胞蛋白,70年代日本首先开发小球藻作为人类的健康食品,80年代又开发出健康和美容系列产品,包括小球藻食品、小球藻饮料、小球藻绿酒、小球藻化妆品等。

我国曾在60年代初开展了小球藻的培养与生产试验研究,未能坚持,目前尚无工业化生产与研究机构。

本文就国内外小球藻大规模培养的研究状况进行综述。

1　小球藻大规模培养的基本方式
目前的研究表明,小球藻大规模培养的方式与产品开发有关。

Oswald(1990)总结了当前国际上主要的培养方式,可以概括为:
密闭无菌培养:使用试剂级化学药品、净化水、加E DT A和维生素等营养成分,主要是制取高级医药用品,精细化学药品和高级油脂等产品。

开放半无菌培养:使用分析纯化学药品、净化水,主要生产藻粉、健康食品、色素和医药制品。

开放藻菌混养:以蔬菜、肉类加工、发酵和工业蒸馏的洁净的有机液体废料为培养基,生产藻粉、健康食品、动物饲料和医药制品。

以动物、家禽和鱼类等残余食物、屠宰场的废物等为培养基,生产家禽、家畜、鱼等饲料、肥料等。

以家庭污水和降解的植物废物等为培养基,生产氧气和肥料等。

显然,小球藻大规模培养的方式主要是考虑产品的用途,高成本的培养方式和培养基只有用于生产高附加值的医药用品、精细化工用品等产品时,在经济上才是可行的,低成本的培养方式,产品的市场价值也降低了。

2　小球藻大规模培养中主要技术条件研究
211　气候条件
气候条件是不能人为控制的,所以在大规模培养中是最优先考虑的问题。

采用人工光照和加温措施可以控制气候条件,但由于成本太高,实际应用在经济上是不合算的(Be2 dell,1986)。

热带地区有理想的温度,但过多的阴天限制了光照,且均衡的高温也增加了小球藻在夜间的呼吸消耗,净物质积累相对减小。

亚热带沙漠地区气候温热,天气晴朗,光照充足,昼夜温差大,呼吸消耗较低,产量相对较高,是进行大规模培养的较理想气候条件。

因此,在沙漠中建立小球藻生产工厂,已经被认为是“沙产业”中可以实施的产业之一,对于利用非耕土地生产人类的食品具有重要意义。

212　CO2的补加
(Oswald,据研究小球藻通过光合作用积累1mg干物质需要1m ol(1.8mg)C O
2 1990),而水中溶解的可利用的C O2(0.04m olΠL)远不能满足小球藻生长的需要,因此大规
模培养中C O 2的补加是提高产量的有效途径。

Miyachi 等(1983)研究证明,不同种类和品种的小球藻利用无机碳的形式不同,有的利用HC O -
3,而更多的则直接利用溶于水中的C O 2。

加入碳酸氢钠类盐,可以补充水中的HC O -3浓度,但并不适合于所有的小球藻种类,且成本高,易使培养液pH 升高。

C O 2的补加采用气流计将C O 2以微泡的形式通入水中。

Laws (1984)报道采用该方法可使C O 2的利用率达70%。

213　搅拌
在大规模培养中,藻细胞由于受多种因素的影响往往易发生沉淀和集聚,从而严重影响繁殖与生长速率。

因此搅拌在大规模培养中是必须的设计。

在开放池培养中,Oswald (1990)设计一种水道式流动搅拌器,使水流速度在5～15cm Πs ,可保持藻细胞浓度达300mg ΠL ,在密闭反应器培养系统中,如管道反应器,采用循环措施进行搅拌,可使藻细胞密度达3g dry.wt ΠL (李师翁和李虎乾,1997)。

214　藻细胞的分离与收获
大规模培养中,收获藻细胞是唯一的目的,但对于大量水体中200～500mg ΠL 的藻细胞的分离是困难的。

可供选择的方法:(1)沉淀法,采用石灰水、明矾等使藻细胞凝集沉淀,但该法严重影响产品的质量及食用价值;(2)过滤法,由于小球藻细胞仅1～5微米,过滤法不适用;(3)离心法,适用于小球藻的分离,产品质量好,但成本较高。

215　藻细胞的干燥
干藻粉是小球藻大规模培养的初产品,但小球藻细胞蛋白质含量高,粘性大,细胞内水分不易散发,干燥时间过长会因叶绿素损失而影响产品质量。

可采用的方法:(1)日光
干燥,该法简易,产品质量好,但干燥量仅为100g ・m -2・d -1干藻粉,且易受天气影响;(2)
转鼓干燥,由于小球藻粘壁严重,不很适用;(3)喷雾干燥,产量大,藻粉消化率高,质量好;(4)冷冻干燥,适用于生产医疗用品和生物活性制剂。

3　小球藻大规模培养研究的状况
小球藻大规模培养研究可以分为两个阶段,50年代至70年代末,主要进行开放池培养的研究,80年代以后开始密闭和半密闭反应器的研究。

311　开放池大规模培养
国际上小球藻大规模开放池培养研究,设计1000～5000m 2
,深15～30cm 的圆形浅水
池,采用螺旋浆搅拌,平均生长量16～22g ・m -2・d -1(Richm ond ,1993),基本状况如表1。

312　半密闭和密闭式大规模培养开放池培养具有设施简易,投资低,成本小等特点,但产量低,一般藻细胞密度200～500mg L -1,培养面积大,生长因子难控制,C O 2补加困难,收获成本高,易被其它生物污染,产品质量低等因素,限制了开放池培养的发展(Richm ond ,1993)。

因此,采用透明容器或玻璃管道设计的半密闭和密闭光合生物反应器培养系统的研究受到重视。

光合反应器大规模培养小球藻的研究始于60年代,乌兹别克地区设计的K 206型光合反应器,试验产量19～30g ・m -2・d -1,培养藻液的密度为250～1500mg ・dry ・wtL
-1,土库曼科学院设计的玻璃管道全密闭全天候光合反应器,平均产量20g ・m -2・d -1。

80年代
4期李师翁等:小球藻大规模培养研究的进展47　
48　植物学通报15卷
表1　开放式培养的研究状况
国家或地区培养装置试验产量(g・m-2・d-1)
乌兹别克浅水池14-25
莫斯科喷泉式装置7-11
莫斯科浅水池20
加利福尼亚浅水池20
日 本浅水池9-1815
以色列浅水池20-40
中国台湾浅水池18
中国武汉直径115m水盆16
后,玻璃管道光合反应器的研究和应用受到重视,Pirt等(1983)首次设计了100m2的管道反应器,T orzillo等(1986)用管道反应器在户外培养螺旋藻,Richm ond等(1993)设计了10L 管道反应器在户外进行了螺旋藻和鱼腥藻的培养,生长量随管道直径大小而变化,管道直径为5cm时生长量为310mg・L-1・d-1,当管道直径为 2.8cm时生长量为550mg・L-1・d-1,Lee和Low(1991;1992)利用玻璃管道反应器户外培养蛋白核小球藻,生长量为26～30g・m-2・d-1。

作者(1997)设计容积1000L玻璃管道反应器培养小球藻,生长量为375mg・L-1・d-1。

与开放池培养比较,密闭和半密闭光合反应器大规模培养,藻细胞的密度提高了6～12倍,总体积相对减少,分离成本大大降低,各种生长因子及工艺可以采用自动化,集约化管理,提高了生产效率和产品质量,避免受其他生物和非生物物质的污染,单位光照面积的生长量保持在15～30g・m-2・d-1(Richm ond,1993)。

由于玻璃管道光合反应器一次性投资大,许多技术问题尚未完全解决,目前尚无工业化应用的报道,但这是未来发展的趋势。

4　小球藻大规模培养的生长量及限制生长量的因素
411　生长量
小球藻大规模培养的生长量变动很大,根据Richm ond(1993)的研究,大规模培养的生长量与培养方式无关,而决定于光照面积和地球表面的太阳辐射的大小。

在完全自养条件下,小球藻转换为细胞物质的光能利用率2.6～7.1%(Myers,1980)。

由于地球表面太阳辐射变化很大,小球藻大规模培养的生长量变动在15～30g・dry・wt・m-2・d-1。

在混养和异养条件下,生长量大于完全自养,日本和我国台湾的资料表明,采用自养和异养相结合的混养培养方式,即在培养液中加入葡萄糖和乙酸盐等有机碳源,年生长量变动在8～22g・m-2・d-1。

在完全异养条件下,可得到较高的生长量,Endo等(1974)报道在异养培养中得到8.6g・L-1・d-1的高生长量,Endo等(1977)采用18L反应器进行异养培养获得3.7 kg・d-1的生长量,并认为采用自养和异养相结合的培养方式其生长量为自养和异养培养生长量的总和。

412　限制生长量的因素
大规模培养进行工业化生产的可行性取决于产量和成本,如何提高产量是大规模培养研究中的关键问题。

对于温度,C O 2浓度,光照强度,营养液和pH 值,搅拌等影响产量的因子的最佳量已经有了很好的了解,可以通过多种方式达到最佳的培养条件。

就光合自养生物而言,限制其生长量的最终的因素是光能转换率,即光能转换率限制最大生长
量。

小球藻转换为细胞物质的光能转换率为2.6～7.1%,相当于1.9～4.9g ・m -2・d -1细
胞干物质生物量(Myers ,1980)。

在大规模培养中光照强度又与培养物密度有关,培养物密度增高了光强度随之降低,生长量也随之下降。

Oswald (1990)根据能量守恒定律确定藻细胞的能量转换的关系式为:
hCc =FS θA
h :藻细胞燃烧热值,Cc :培养系统藻细胞密度(mg ・L -1干重),F 为转换太阳能为化学
能的效率(%),S 为太阳辐射(Cal cm -2・d -1),θ为藻细胞平均受光时间,A 为每1L 培养物
所占面积(cm 2)。

藻细胞干物质燃烧热值约为5.5K cal ・g -1,光合作用效率即光能转换率约为太阳辐射的215%,上述关系式表明,小球藻生物量的积累决定于太阳辐射,因此大规模培养中生长量与不同地域及不同季节有关,自然光照下全年的生长量变动很大。

Oswald 根据上述关系式推导出一个在开放池培养中计算生长量的公式:
Pr =kdCc Π
θPr 为生长量,k 为常数=0.01,Cc 为藻细胞密度,θ为藻细胞平均生长时间,d 为培养池的深度。

一般情况,d =30cm ,Cc =300mg ・L -1,θ=4d ,则Pr =22.5g ・m -2・d -1。

Oswald 认为这
是一个在适宜地区合理设计的浅池培养系统可以达到的生长量。

显然,当太阳辐射确定后,影响生长量的因素为池深d 和藻细胞停留时间,理论上d 越大,则Pr 越大,但实际上加大d 随之降低了进入水中的太阳辐射强度,因此池深和藻细胞密度间存在相关关系,池深加大则藻细胞密度降低,生长量并不增加。

同样藻细胞停留时间越小生长量越大,研究证明总有一个最佳值,在浅池培养中为3天,过大或过小都因影响密度而影响生长量。

因此,大规模培养中理论生长量是有限的,人们只有通过调控各种生长因子使之保持最佳条件,从而尽可能达到并保持最大生长量。

Oswald 在Napa (加利福尼亚),Manila (菲律宾),Richm ond (加利福尼亚),Haifa (以色列)四个不同地区进行的定点试验,是太阳辐射与生长量之间关系的典型例证。

Oswald 将测定的生长量对太阳辐射作图,结果得出产量关系式:
Pr =kp (S -S0)
Pr 为生长量g ・m -2・d -1,S 为总太阳能输入Cal ・m -2・d -1,S0为直线截矩,即生长量为0时的太阳能,kp 为生长量系数,为线型生长量直线的斜率,其关系数据如马尼拉在北纬1515度,平均水温2816℃和Richm ond 在北纬37度,平均水温1516℃,两地区生长量不同(表2)。

上表表明,大规模培养中太阳辐射与产量之间存在正相关,同时又决定于维持生长量为0时的太阳辐射的大小。

马尼拉地区具有理想的气候条件,但生长量却低于Richm ond 地区,因为其生长量为0时的太阳辐射比Richm ond 高,即在相同条件下需要更高的太阳
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辐射来维持0生长量。

马尼拉平均水温(28.6℃)高于Richm ond(15.6℃),因此,藻细胞呼吸强度大大增加了,干物质积累随之减少。

对于大规模培养而言,一定的昼夜温差是维持高产所必须的因素之一。

表2　太阳辐射与生长量间的关系
地区S S o生长量g・m-21d-1
M anila
Pr=0.09(S2225)225
300
375
450
525
225
225
225
225
225
6175
1315
20125
2710
Richm ond
Pr=0.108(S2125)125
200
275
350
425
475
125
125
125
125
125
125
8.1
16.2
24.3
32.4
37.8
5　展望
随着世界范围人口的不断增加,耕地面积日益减少,环境污染加重,土壤荒漠化加快。

人类赖以生存的粮食等农产品可能面临着不再能满足人类需求的潜在危机。

过去近一个世纪的研究表明,地球表面广泛存在的原始绿色生命———藻类生物(小球藻,盐藻,栅藻,螺旋藻等),含有丰富的营养成分,且具有优良的医疗保健作用,被联合国粮农组织(FAO)确定为二十一世纪绿色健康食品。

它繁殖速率快,光能转化率高,易培养,单位光照面积蛋白质产量是高等植物的数十倍。

藻类大规模培养的研究已经给我们展示了一幅诱人的前景,工厂化生产人类的优质天然绿色食品即将成为现实,人类可以将这类工厂建在沙漠、盐碱地等非耕土地上,那么陆地上可以利用的土地面积将不再象现在这样拥挤。

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